DS课程设计摘要

摘要 集散控制系统在近几年得到了广泛的运用，其在各行各业的使用中都取得了 良好的效果，本文主要介绍了 DCS控制系统，首先分析了集散控制系统的组成， 集散控制系统的特点，DCS系统的硬件结构、控制算法，然后对其在电力应用中 遇到的问题进行了阐述，最后针对其在火电厂中的应用进行了说明。 关键词 DCS控制系统硬件结构控制算法应用 一、DCS控制系统介绍 集散控制系统（Distributed control system）主要指的是在生产过程中进行集 中管理与分散控制的一种计算机系统，，简称DCS系统。该系统将若干台微机分 散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化 控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规 仪表功能单一，人机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺 点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性 三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。 1 集散控制系统的组成 1）现场控制级 又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对 实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并 将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量 或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。 这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、 变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。 在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反 馈执行的情况。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信 号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前 流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。 2）过程控制级 又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的 调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。 上面说到现场控制级，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场 控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号 发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反 馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。 这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情 况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。 3）过程管理级 DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键 盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情 况，这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作 跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到 生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的 “上校” 了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设 定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。 4）经营管理级 又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通 路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。 这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一 级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等 行政管理或运行管理人员。 它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测 可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助 企业实现其计划目标。 2. 集散控制系统的特点 DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著 的特点。 1、系统构成灵活。从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统 组网而成的。你可以把他现象成“因特网”。根据生产需求，你可以随时加入或 者撤去工作站。系统组态很灵活。 2、操作管理便捷。DCS的人机反馈都是通过CRT跟键盘、鼠标等实现的。 你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情 况。 3、控制功能丰富。原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微 处理器来实现。难道还有什么算法CPU实现不了的吗 4、信息资源共享。你可以把工作站想象成因特网上的各个网站，只要你在 DCS系统中，并且限够大，你就能了解到你要的任何参数。 5、安装、调试方便。相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆 类似头发丝的电线。DCS系统算是很方便了。 3. DCS系统的硬件结构 DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口 设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散 控制和集中监视、操作及管理等功能。 现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元式DCS直接与生产 过程进行信息交互的10处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被 控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求, 选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。它可以是以面向连续生产的过程 控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控 制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对 大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。 现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。由于它是专为过程 检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算 机等，与一般的计算机系统有所不同。 二、集散控制系统的控制算法 1）比例控制器（P调节） 控制器的输出信号u与偏差e成正比UKpe 心称为比例增益。从减少偏 差的角度，应该增加心，但是心还影响系统的稳定性，过大的心往往会使得系 统产生激烈的振荡和不稳定。因此在设计中应该合理优化KP,在满足精度要求 下，选取合适的心值。 2）积分控制器（I调节） 在积分控制器中，调节规律是偏差e经过积分控制器的积分作用得到控制器 的输出信号u u edt传递函数为G .（5） 积分控制器的显著特点是误差调节，就是说当系统达到平衡冷，阶跃信号稳 态设定值和被调量无差，偏差e0即积分的作用实际上是将偏差e累计起来得 到u,如果偏差e不为0,积分作用将使积分控制器的输出u不断增加或减小， 系统将无法平衡，故而只有e为0,积分控制器的输出r才不发生变化。 3）微分控制器（D调节） 在微分控制器中，调节规律是偏差e经过微分控制器的积分作用得到控制器 的输出信号u u K D斗*传递函数为Q （5） KnS Cl TcLf 积分控制器的显著特点是当出现了偏差才进行调节，而微分控制器则针对被 调量的变化率来进行调节，而不需要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动 作，即微分调节器可以对被调量的变化趋势进行调节，即使避免出现大的偏差。 一般情况，实现微